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Physik - UBRM (Subject) / Transportprozesse (Lesson)
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- Drei Arten des Wärmetransports Kovektion Wärmeleitung Wärmestrahlung
- Konvektion = Teilchentransport, Wärmeströmung Eine Wärmequelle gibt ein ein Gas oder eine Flüssigkeit Wärmeenergie ab, welche dann von den Gas- oder Flüssigkeitsmolekülen transportiert wird. Damit ist ein Massentransport verbunden. Anwendung: Heizungsbau, Kühlkreisläufe, Gegenstromkühlung,...
- freie Konvektion eine durch Temperatur- und Dichteunterschiede verursachte Strömung in Flüssigkeiten oder Gasen.
- erzwungene Konvektion das Wärmetransportmedium wird druch äußere Kräfte (Pumpen, Ventilatoren) in Bewegung gehalten.
- Wärmeleitung Teilchen im Festkörper geben durch Anregung zu Schwingungen kinetische Energie an Nachbarteilchen weiter. Es findet KEIN Materialtransport statt.
- Stationärer Wärmestrom I Wärmestrom = die pro Sekunde transportierte Wärme. I = ΔQ / Δt = λ * A * ΔT / Δx λ - Wärmeleitungskoeffizient, materialabhängige Größe Δx - Distanz zwischen den Oberflächen
- Eigenschaften des Wärmestroms I bei Wärmeleitung - I ist umso größer, je größer die Querschnittsfläche A ist. - I ist umso größer, je größer der Temperaturgradient ist. Je größer der Temperaturunterschied ΔT zwischen zwei Oberflächen und je geringer die Distanz Δx zwischen den Oberflächen, umso größer I.
- Wärmeübergang findet immer dann statt, wenn der Wärmetransport von einem Transportmechanismus auf einen anderen wechselt. z.B. Übergang vom Raum zu einer Wand
- Transportierter Wärmestrom I I = ΔQ / Δt = α * A * (T2 - T1) α - Wärmeübergangszahl
- Wärmeübergangszahl α Die Wärmeübergangszahl hängt ab von: - der Flüssigkeit bzw. dem Gas und dem Material der Wand - der Oberflächenbeschaffenheit - den lokalen Strömungsverhältnissen
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- Wärmedurchgangskoeffizient U = Wärmedämmwert, Wärmedurchgangszahl für eine gute Isolierung ist der U-Wert möglichst niedrig. U = 1 / (1 / α1 + s / λ1 + 1 / α2)
- Effektiver U-Wert Die einströmende Energie durch die Strahlung der Sonne wird berücksichtigt. (Bei Fenstern) Südseite: Ueff = U-1,5 Ost- und Westseite: Ueff = U-1
- Stefan-Boltzmannsches Strahlungsgesetz Jeder Körper gibt Wärmestrahlung ab und dies umso mehr, je höher seine Temperatur ist. Die emittierte Strahlung bei der Temperatur T ist: Ps = ε * A * σ * T4 σ - Stefan - Boltzmannkosntante = 5,669*10-8 ε - Emissionskoeffizient (Abhängig von Farbe, Oberflächenzustand und Temperatur des Körpers) - für schwarze, matte Körper gilt ε = 1
- Absorption von Wärmestrahlung Trifft Wärmestrahlung auf einen Körper, dann wird sie zum Teil reflektiert, zum Teil absorbiert und eventuell kann auch ein Teil durch den Körper hindurch treten. Insgesamt muss die auftreffende Wärmestrahlung Pein gleich der absorbierten Wärmestrahlung Pabs plus der reflektierten Prefl plus der durchgelsassenen Ptrans sein. Pein = Pabs + Prelf + Ptrans Welcher Teil absorbiert wird hängt vom so genannten Absorptionskoeffizienten α ab. Pabs = Pein * α
- Kirchhoffesches Strahlungsgesetz Bei gegebener Temperatur ist der Emissionskoeffizient ε gleich dem Absorptionskoeffizient α. ε (T) = α (T)
- Solarkonstante E0 Mit der Solarkonstante E0 wird die Strahlungsleistung der Sonne bezeichnet, die oberhalb der Erdatmosphäre bei mittlerem Sonnenabstand und senkrechtem Strahlengang durch die Flächeneinheit fließt. E0 = 1367 W/m2 = die Strahlungsenergie der Sonne, die pro Zeit und Fläche im Mittel auf der Erde ankäme, wenn es keine Atmosphäre gäbe.
- Effektivtemperatur der Sonnenoberfläche Temperatur, die ein gleich großer schwarzer Körper haben müsste, um dieselbe Strahlungsleistung abzugeben wie die Sonne. = 5777 K
- Globalstrahlung Die am Erdboden auftreffende Gesamtstrahlung. Setzt sich additiv aus der direkten Strahlung und der diffusen Strahlung zusammen. Maximalwert der Globalstrahlung im Sommer zu Mittag = 1000 W/m2 Aktuelle Wert hängt ab - vom aktuellen Wettergeschehen von der Tages- und Jahreszeit von der Orientierung der Fläche zur Richtung der Sonne.
- Air Mass Faktor (AM) gibt an, um welchen Faktor mehr an Luftmasse von der Sonnenstrahlung durchquert werden muss im Vergleich mit einem senkrechten Einfall.
- Warmwasserkollektor In einem thermischen Sonnenkollektor wir ein Wärmeträgermedium erwärmt. Ist die Temperatur hoch genug, wird es mittels einer Umwälzpumpe in einen Speicher geleitet, wo es Wärme an Wasser abgibt. Derart kann Sonnenenergie zur Erwärmung von Trinkwasser als auch für Heizzwecke verwendet werden.
- Flachbettkollektoren Der prinzipielle Aufbau von üblichen Flachbettkollektoren ist eine Glasscheibe, duch die Sonnenstrahlung einfällt und den schwarzen Absorber erwärmt. Der Absorber ist aus Kupfer und in das Kupfer sind Rohre mit dem Wärmeträgermedium eingearbeitet. Der Absorber ist beschichtet. Diese Schicht absorbiert Wärmestrahlung hoher Temperatur sehr gut, hat aber einen niedrigen Emissionskoeffizienten für Strahlung niedriger Temperatur. Dadurch geht wenig Wärme über Wärmestrahlung wieder verloren. Neben Flachbettkollektoren gibt es auch Vakuumkollektoren.
- Solarzelle Ein Halbleiter-Bauelement, das bei Sonneneinstrahlung elektrische Energie abgibt. Bei der Silizium-Solarzelle löst ein einfallendes Photon mit genügend Energie ein Elektron aus der Bindung der Siliziumatome heraus. Durch eine Sperrschicht werden die Ladungsträger abgesaugt und es fließt Strom . max. möglicher Wirkungsgrad = 25%
- Photovoltaiksystem besteht aus Solarmodulen, einer Batterie und dem Laderegler. Gegebenenfalls dient ein Wechselrichter zur Umwandlung des Gleichstromes in Wechselstrom.
- Solarturmkraftwerk Über sphärische Hohlspiegel wird die Sonnenstrahlung bei einem zentralen Empfänger konzentriert. Solche Systeme können Wärme mit sehr hoher Temperatur erzeugen.
- Parabolrinnenkraftwerk Über parabolische Rinnen wird die Strahlung bei einem zentral angeordneten Empfänger - einem Rohr gefüllt mit Thermoöl - konzentriert. Die Konzentration ist hier wesentlich geringer.
- Diffusion Der Teilchentransport, der auf Grund thermischer Bewegung der Teilchen zwischen Bereichern unterschiedlicher Teilchendichten erfolgt. Triebkraft für die Diffusion ist eine unterschiedliche Teilchenkonzentration an unterschiedlichen Orten sowie die Brownsche Bewegung der Teilchen. Für eine Diffusion ist kein Temperaturunterschied nötig, wohl aber eine thermische Bewegung und somit eine Temperatur T > 0 K!
- 1. Ficksche Gesetz beschreibt die Diffusion: ΔN / Δt = - D(T) * A * (Δn / Δx) Die Teilchen diffundieren entsprechend dem Konzentrationsgefälle Δn / Δx vom Ort hoher Teilchendichte zum Ort niedriger Teilchendichte. Die Teilchenbewegung ist gerichtet und passiert solange, bis die Konzentration an allen Stellen gleich ist.
- Anwendungsbeispiele der Diffusion - Durchmischen von Flüssigkeiten und Lösungsvorgängen -Trockunung
- Pfeffersche Zelle Werden Stoffe in Wasser gelöst, dann stellt sich nach entsprechend langer Zeit aufgrund der Diffusionsbewegung eine homogene Verteilung ein. Wenn die Bewegung des gelösten Stoffes durch eine so genannte semiperamble Membran behindert wird. In diesem Fall kann zwar das Lösungsmittel druch die Membran diffundieren, die gelöste Substanz wird aber zurückgehalten. Eine solche Anordnung nennn man Pfeffersche Zelle.
- Osmotischer Druck Im Falle einer Pfefferschen Zelle befinden sich nur auf einer Seite der Membran Lösungsmittel und gelöster Stoff. Der Druck in diesem Bereich gegenüber dem Bereich ohne gelösten Stoff ist erhöht. Diesen Überdruck bezeichnet man als osmotischen Druck. posm = n / V * R * T n = Molzahl Der Osmotische Druck ist gleich jenem Druck, den der gelöste Stoff ausüben würde, wenn seine Moleküle als Gas im selben Raum vorhanden wären.
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- Van't Hoffsche Gleichung Gleichung für den Osmotischen Druck: posm = n / V * R * T